表面微機(jī)械MEMS溫度傳感器研究*

劉慶海,黃見秋

(東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096)

?

表面微機(jī)械MEMS溫度傳感器研究*

劉慶海,黃見秋*

(東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096)

提出一種基于表面微機(jī)械工藝的MEMS溫度傳感器,其基本原理是:由于材料熱膨脹系數(shù)的差異,復(fù)合懸臂梁在熱應(yīng)力作用下發(fā)生彎曲,進(jìn)而影響壓阻單元中的應(yīng)力分布,壓阻變化通過惠斯登電橋讀出,由電橋輸出電壓變化表征溫度的變化。相比于其他溫度傳感器,這種微機(jī)械溫度傳感器的靈敏度高、尺寸小、精度高。針對(duì)提出的溫度傳感器結(jié)構(gòu),文中給出了傳感器的設(shè)計(jì)原理、制備工藝以及信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。經(jīng)測(cè)試,傳感器的靈敏度為9.2 mV/℃,具有良好的穩(wěn)定性。

壓阻效應(yīng);懸臂梁;表面微機(jī)械;溫度傳感器

溫度和日常生活密切相關(guān),也是科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)活動(dòng)必不可少的重要物理量之一。溫度傳感器占有較高的市場(chǎng)份額,每年銷售額可達(dá)幾億美元,已然成為信息化社會(huì)不可或缺的元件。溫度測(cè)量的主要方法是利用材料性能參數(shù)隨溫度變化來表征溫度。這些性能參數(shù)有:機(jī)械形變、熱電阻、熱電動(dòng)勢(shì)、材料的熱膨脹等[1]。目前使用最為廣泛的溫度傳感器有:第一,雙金屬溫度計(jì),由兩種或多種具有不同熱膨脹系數(shù)的金屬片疊組成多層金屬片。當(dāng)溫度變化時(shí),多層金屬片發(fā)生應(yīng)力形變,以分度標(biāo)尺的形式指示溫度。此類溫度傳感器制作簡單,成本低,但是測(cè)溫范圍較窄、測(cè)溫精度低。第二,熱電偶溫度傳感器。由兩種不同的導(dǎo)體兩端分別相連構(gòu)成回路。當(dāng)兩個(gè)連接點(diǎn)存在溫度梯度時(shí),回路中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),這種溫度梯度產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為熱電效應(yīng)。冷端的開路電壓正比于兩端的溫度差。此類溫度傳感器測(cè)溫范圍寬,精度高,但是靈敏度極低。第三,電阻式溫度傳感器。利用金屬或半導(dǎo)體對(duì)溫度的敏感特性表征溫度。由金屬材料制成的為熱電阻,由半導(dǎo)體材料制成的為熱敏電阻。熱電阻測(cè)溫線性度好,但是體積大、價(jià)格高、靈敏度低。熱敏電阻靈敏度高、體積小,但是測(cè)溫線性度很差,測(cè)溫范圍窄。隨著微制造工藝和單片集成技術(shù)的日趨成熟,各類微型溫度傳感器已出現(xiàn)在我們的日常生活中。與傳統(tǒng)的溫度傳感器相比,微型溫度傳感器具有小型化,智能化和低成本等優(yōu)點(diǎn)。常見的硅基微型溫度傳感器有:硅雙極型集體管、PN結(jié)以及熱電阻,而CMOS工藝技術(shù)是制備這類硅基元件的主流技術(shù)。

本文提出了一種利用表面工藝制備的壓阻式MEMS復(fù)合梁溫度傳感器。基于壓阻原理設(shè)計(jì)了MEMS溫度傳感器結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度變化時(shí),復(fù)合梁的雙層材料因熱膨脹系數(shù)的失配產(chǎn)生彎曲而形成熱應(yīng)力。壓阻的變化通過惠斯登電橋讀出,利用應(yīng)力的變化表征溫度的變化。文中對(duì)傳感器工藝以及版圖進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在傳感器制備的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了測(cè)試電路并搭建測(cè)試系統(tǒng),經(jīng)測(cè)試,傳感器的靈敏度為9.2mV/℃,具有良好的穩(wěn)定性。

1 傳感器工作原理

當(dāng)半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時(shí),由于載流子遷移率的變化會(huì)使得電阻率發(fā)生變化,這種現(xiàn)象被稱為壓阻效應(yīng)[2]。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)通常由兩種方式形成:一種是利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成粘貼式應(yīng)片,另一種是在半導(dǎo)體材料的基片上,用集成電路工藝制成擴(kuò)散型壓敏電阻或離子注入型壓敏電阻。式(1)為壓阻的變化與所受應(yīng)力的關(guān)系式。

(1)

式中:R為壓阻電阻值,ρ為電阻率,π為壓阻系數(shù),σ為應(yīng)力。

半導(dǎo)體發(fā)生彈性形變后,在應(yīng)力得到釋放后,電阻能恢復(fù)到應(yīng)變前的阻值電阻值的變化量與應(yīng)力的關(guān)系由壓阻系數(shù)σ決定。單晶硅的壓阻系數(shù)是與晶向、摻雜類型、襯底溫度有關(guān)。對(duì)于P型和N型硅來說,壓阻系數(shù)的值隨著溫度的摻雜濃度的增加而降低。而表面雜質(zhì)濃度降低時(shí),溫度增加,壓阻系數(shù)下降得快;表面雜質(zhì)濃度高時(shí),溫度增加,壓阻系數(shù)下降的慢。為了降低溫度影響,擴(kuò)散電阻的表面雜質(zhì)濃度高些較好,但擴(kuò)散雜質(zhì)較高時(shí),壓阻系數(shù)會(huì)降低。當(dāng)設(shè)計(jì)硅壓阻時(shí)必須仔細(xì)選擇合適的摻雜濃度。選擇合適的摻雜濃度可以忽略溫度對(duì)壓阻系數(shù)的影響。這樣,壓阻值的變化就正比于所受的應(yīng)力。這種效應(yīng)為機(jī)械能和電能之間的能量和信號(hào)轉(zhuǎn)換提供了一種簡單直接的機(jī)制,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。壓阻式傳感器具有易于集成、靈敏度高、信號(hào)檢測(cè)電路簡單、體積小、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于一般的壓阻式傳感器來說,傳感器溫漂往往需要抑制和補(bǔ)償,但是從另一個(gè)角度來看,可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來增加溫度對(duì)壓阻效應(yīng)的影響,進(jìn)而檢測(cè)溫度的變化。壓阻式復(fù)合梁溫度傳感器的基本原理是[3]:復(fù)合懸臂梁在熱應(yīng)力作用下彎曲。在鋁膜和硅的接觸面上產(chǎn)生剪切應(yīng)力,使得位于硅懸臂梁根部表面的壓阻的阻值發(fā)生變化。其基本原理如圖1所示,由于結(jié)構(gòu)中的絕緣介質(zhì)層很薄,懸臂梁形變主要受鋁和硅材料的影響[4],鋁的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于硅。當(dāng)溫度上升時(shí),復(fù)合梁向下彎曲,如圖1(a)所示,溫度下降時(shí),復(fù)合梁向上彎曲,如圖1(b)所示。

圖1 復(fù)合梁感溫機(jī)制

復(fù)合梁的形變會(huì)在根部壓阻上產(chǎn)生應(yīng)力變化。壓阻的變化最后通過惠斯登電橋讀出。基本的惠斯頓電橋由4個(gè)連接成環(huán)狀的電阻組成。兩個(gè)電阻分別隔開了兩個(gè)節(jié)點(diǎn),輸入電壓加在這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間,另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電壓降構(gòu)成了輸出,環(huán)中的一個(gè)或多個(gè)電阻可以是敏感電阻,其阻值隨著設(shè)定的變量而變化。通過一系列公式推導(dǎo),可得惠斯通電橋的電壓輸出U0與環(huán)境溫度T的關(guān)系為[5]:

U0=kIπ(1-μ)(α1-α2)(T-T0)

(2)

式中:k為系數(shù)常量,由材料特性確定,π為壓阻系數(shù),μ為硅材料的泊松比,(α1-α2)為鋁材料與硅材料的熱膨脹系數(shù)差。當(dāng)傳感器的各個(gè)參數(shù)確定后,上式中除溫度T外均為定值,所以電橋的輸出電壓與待測(cè)溫度T成線性關(guān)系。

當(dāng)溫度從-20 ℃增加到40 ℃時(shí),懸臂梁的最大位移會(huì)減小而壓阻上的最大應(yīng)力會(huì)增加。懸臂梁的長度顯著影響著懸臂梁的最大位移矢量,但是壓阻上的最大應(yīng)力幾乎與懸臂梁的長度無關(guān)[6]。所以,在保證靈敏度不變情況下,傳感器的尺寸可以進(jìn)一步被減小。

圖2 壓阻式復(fù)合懸臂梁溫度傳感器結(jié)構(gòu)

圖2給出了懸臂梁以及壓阻。圖示結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個(gè)部分:硅襯底、壓阻、二氧化硅、氮化硅、鋁膜溫度敏感層等。

2 傳感器制備工藝

本文的傳感器采用懸臂梁結(jié)構(gòu),通常制作懸臂梁的方法是采用SOI硅片,背面腐蝕的方法,然后釋放結(jié)構(gòu)。本文通過外延封腔工藝形成單面加工,表面微機(jī)械成型的懸臂梁結(jié)構(gòu)[7],其優(yōu)點(diǎn)在于傳感器集成度高,工藝誤差小,傳感器一致性好,利于批量生產(chǎn)。

2.1 材料的選擇

為了提高壓阻的溫度響應(yīng),本文設(shè)計(jì)了多層懸臂梁復(fù)合結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度變化時(shí),由于多層材料的熱膨脹系數(shù)的差異而導(dǎo)致復(fù)合梁的形變,進(jìn)而對(duì)壓阻產(chǎn)生較明顯的應(yīng)力作用,提高傳感器的靈敏度。所以,選擇合適的懸臂梁材料能夠優(yōu)化傳感器的靈敏度。

盡管懸臂梁很容易通過多晶硅表面加工工藝制得,但是往往很難控制多晶硅層中的殘余應(yīng)力和應(yīng)力梯度。單晶硅是微機(jī)械系統(tǒng)中較為常見的機(jī)械材料。本文中壓阻上的懸臂梁為一層單晶硅微機(jī)械層[8],通過硅的外延工藝制得,能夠保證敏感結(jié)構(gòu)具有優(yōu)秀的機(jī)械性和壓阻特性。鋁材料常被用于集成電路中的電學(xué)連接,制備工藝非常成熟。而且鋁的熱膨脹系數(shù)分別是硅和二氧化硅的10倍和50倍左右。所以本論文中采取鋁膜作為感溫結(jié)構(gòu)的敏感材料。

2.2 傳感器的制備工藝

懸臂梁結(jié)構(gòu)是通過外延單晶硅表面微加工工藝制備而得[9]。傳感器具體加工工藝過程是:首先,通過各項(xiàng)異性的干法腐蝕工藝制得通孔陣列,然后,通過通孔陣列采用各項(xiàng)同性的根切工藝形成空腔,如圖3(1);第二,通過低壓化學(xué)氣相沉淀形在硅片上形成外延硅,完成密封,如圖3(2);第三,通過硼擴(kuò)散工藝形成作為應(yīng)力敏感元素的壓阻模塊,如圖3(3);第四,通過重?fù)诫s工藝形壓阻上的歐姆接觸,如圖3(4);第五,通過淀積工藝形成LPEOS和LPSiN的復(fù)合膜,如圖3(5);第六,通過刻蝕形成電介層,如圖3(6);第七,電鍍形成鋁膜層,并通過刻蝕形成用于電學(xué)連接的焊盤,如圖3(7);最后,通過正面的干法腐蝕工藝釋放懸臂梁結(jié)構(gòu),如圖3(8)。實(shí)際中,在硅的外延工藝后,傳感器的制備是采用了標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝技術(shù),最后通過MEMS后處理工藝完成了懸臂梁結(jié)構(gòu)的釋放。

圖4給出了壓阻式復(fù)合懸臂梁溫度傳感器的SEM照片。復(fù)合懸臂梁的尺寸為100μm×400μm。垂直放置的兩對(duì)壓阻式懸臂梁形成了惠斯通電橋形式。壓阻單元制作在每個(gè)懸臂梁固支端中心位置以最大化壓阻上所受的應(yīng)力。懸臂梁結(jié)構(gòu)是由Al/電質(zhì)介/Si復(fù)合而成。

圖3 基于硅外延工藝的壓阻式懸臂梁制作工藝

圖4 壓阻式懸臂梁的SEM圖

通過與前處理工藝以及后處理工藝結(jié)合,本文提出的溫度傳感器可以與CMOS工藝兼容[10]。傳統(tǒng)的體加工工藝需要從背面掏腔和雙面對(duì)準(zhǔn)技術(shù)形成懸臂梁結(jié)構(gòu),形成的懸臂梁尺寸精度較低。通過MEMS表面微加工形成懸臂梁溫度敏感結(jié)構(gòu),傳感器只需進(jìn)行單面加工,節(jié)省芯片面積同時(shí)提高了加工精度[11]。

3 傳感器測(cè)試系統(tǒng)

傳感器在控溫恒溫槽中進(jìn)行了測(cè)試,通過測(cè)試電路將傳感器溫度響應(yīng)進(jìn)行輸出,對(duì)傳感器性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.1 測(cè)試電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本論文設(shè)計(jì)的壓阻式溫度傳感器的輸出為惠斯通電橋結(jié)構(gòu),傳感器的測(cè)試采用開環(huán)連接方式,如圖5所示,傳感器共有5只輸入輸出引腳[12]。

圖5 開環(huán)式惠斯登電橋測(cè)試原理

在選擇電橋的供電方式上,這里選擇溫漂較小的恒流源供電方式。電橋的一組對(duì)角線實(shí)現(xiàn)供電,恒定電流I1、I2分別從a端和e端流入電橋。另一組對(duì)角線是傳感器的信號(hào)輸出端,b端和d端。圖5中的c端接地。由于該輸出信號(hào)是mV級(jí)的,如果將此微弱信號(hào)直接輸入到單片機(jī)內(nèi)部,將無法被采集到,所以需要一個(gè)放大器將信號(hào)放大,然后輸入到單片機(jī)。單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)通過串行的方式,經(jīng)過數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL將數(shù)據(jù)通過液晶顯示出來。整個(gè)測(cè)試電路系統(tǒng)的原理圖如圖6所示。

圖6 測(cè)試電路系統(tǒng)原理圖

電路中的電壓放大器采用的是AD623集成單電源儀表放大器。放大器的增益通過外接電阻設(shè)置成100倍,放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。放大器的參考電平可以平移調(diào)整放大器的輸出電壓區(qū)間,通常設(shè)置成MCU供電電壓的一半。系統(tǒng)中的MCU采用SiliconLabs公司的C8051F350單片機(jī)。在電路中,單片機(jī)的作用是:提供給傳感器兩個(gè)恒定電流;放大器輸出電壓的ADC采樣;實(shí)現(xiàn)與液晶顯示的串口通信。供電模塊是采用LM1117-3.3DC-DC芯片實(shí)現(xiàn)3.3V的供電電壓。

通過單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)ADC采樣、串口通信以及恒定電流的提供等功能的調(diào)用[13]。采用模擬I2C方式實(shí)現(xiàn)與液晶模塊的串口通信。單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)最后通過液晶顯示出來。由于歐姆效應(yīng),電阻存在自加熱作用,影響溫度響應(yīng)的準(zhǔn)確度。所以,電橋輸入采用脈沖式電流供電,如圖7所示。這樣既避免了自加熱效應(yīng)又大幅度的降低了功耗。

圖7 惠斯通電橋的脈沖式供電

圖8給出了搭建好的整個(gè)測(cè)試系統(tǒng),圖中的控溫恒溫槽用于產(chǎn)生不同的溫度條件。

圖8 測(cè)試系統(tǒng)和讀出電路

3.2 測(cè)試結(jié)果

為了便于對(duì)比,文中給出了無可動(dòng)結(jié)構(gòu)的固定式壓阻結(jié)構(gòu)和懸臂梁式壓阻溫度傳感器的測(cè)試結(jié)構(gòu)。傳感器的測(cè)試溫度范圍為-20 ℃～40 ℃。

圖9 懸臂梁式壓阻感溫敏感特性和固定式壓阻感溫敏感特性

從圖9可以看出,無可動(dòng)結(jié)構(gòu)的固定式壓阻結(jié)構(gòu)和懸臂梁式壓阻溫度傳感器都具有單調(diào)線性的溫度響應(yīng)。但是比較后發(fā)現(xiàn),采用懸臂式的壓阻傳感器的靈敏度有了較大的提高,大約為9.2mV/℃。相比于固定式結(jié)構(gòu)(1.3mV/℃),靈敏度約提高了7倍。當(dāng)靈敏度明顯提高后,測(cè)溫的精確度會(huì)有明顯地提高。同時(shí),懸臂梁式的壓阻傳感器有著較好的線性度,簡化了后期的溫度標(biāo)定過程。

圖10中的曲線為懸臂式壓阻溫度傳感器多次測(cè)量的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中對(duì)懸臂式壓阻溫度傳感器進(jìn)行了四輪反復(fù)升溫和降溫測(cè)量,傳感器的輸出特性保持一致。顯示出較好的重復(fù)性。

圖10 懸臂式壓阻溫度傳感器長期可靠性測(cè)量

4 結(jié)論

本文的壓阻式懸臂梁采用表面微加工工藝制得,傳感器結(jié)構(gòu)主體為外延單晶硅材料。相比于體加工工藝,尺寸精度有了較大地改善。采用了復(fù)合懸臂梁結(jié)構(gòu),溫度傳感器的靈敏度為9.2mV/℃,相比于固定式壓阻結(jié)構(gòu)有較大的提高,可以用于溫度測(cè)量。在-20 ℃～40 ℃的測(cè)量范圍內(nèi),溫度傳感器表現(xiàn)出較好的線性度和重復(fù)性,具有較好的性能。

[1]朱杰. 智能溫度傳感器的研究[D]. 太原:中北大學(xué),2013.

[2]孫慧明,張?bào)愣?吳劍,等. 基于MEMS工藝的壓阻式濕度傳感器的設(shè)計(jì)制作[J]. 傳感器技術(shù)學(xué)報(bào),2008,21(5):770-772.

[3]韓建強(qiáng),朱長純,劉君華,等. 一種硅/二氧化硅雙層微懸臂梁溫度傳感器[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2003,24(5):474-476.

[4]時(shí)子清. 新型壓阻式MEMS溫度傳感器的理論研究[D]. 西南交通大學(xué),2011.

[5]姚振華,朱長純. 用于諧振式傳感器的微型雙層薄板熱撓曲的研究[J]. 電子學(xué)報(bào),2002,128(2):59-61.

[6]李曉杰. 熱膨脹型固體物態(tài)方程[J]. 物理學(xué)報(bào),2002,51(5):1098-1010.

[7]李祖艷. 壓阻式硅MEMS諧振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝仿真[D]. 華中科技大學(xué),2012.

[8]Rasmussen P A,Hansen O,BoBoisen A. Cantilever Surface Stress Sensors with Single-Crystalline Silicon Piezoresistors[J]. Applied Physics Letters,2005,86(20):203502/1-203502/3.

[9]滕浙乾. SOI/CMOS器件建模研究與模型參數(shù)提[D]. 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010.

[10]Brand O,Fedder G K. CMOS MEMS技術(shù)與應(yīng)用[M]. 黃慶安,秦明,譯. 南京:東南大學(xué)出版社,2007.

[11]馬洪宇,黃慶安. 諧振式MEMS溫度傳感器設(shè)計(jì)[J]. 光學(xué)精密工程,2010,18(9):2022-2027.

[12]徐愛鈞,彭秀華. Keil Cx51 V7.0單片機(jī)高級(jí)語言編程與μVision2應(yīng)用實(shí)踐[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[13]閻文靜,張鑒,高香梅. 壓阻式壓力傳感器性能的研究[J]. 技術(shù)與應(yīng)用,2012,18(2):14-17.

A Surface Micromachined MEMS Temperature Sensor*

LIUQinghai,HUANGJianqiu*

(Key Laboratory of MEMS of the Ministry of Education,Southeast University,Nanjing 210096,China)

Presented a surface micromachined MEMS temperature sensor. Its basic principle was:Composite cantilever beamsbent with thermal stresses induced by differences of thermal expansion coefficients. The stresses in thepiezoresistors changed with the deformation of beams and a voltagewas output by the Wheatstone bridge to characterize the temperature. Compared with other temperature sensors,the piezoresistivemicromachined temperature sensors had advantages of higher sensitivity,smaller size and higher precision. The paper reported the design principle,fabrication process and the signal conditioning circuitof the sensor. According to the test results,the sensitivity ofthe sensor is 9.2 mV/℃ and it presents excellent repeatability.

piezoresistiveeffect;cantilever;surface micromachining;temperature sensor

劉慶海(1988-),男,碩士研究生,主要從事MEMS溫度傳感器的研究,liuqh_yz@163.com;

黃見秋(1981-),男,副研究員,主要從事CMOS MEMS、微型溫度傳感器、微型濕度傳感器、傳感器測(cè)試結(jié)構(gòu)等方面的研究,hjq@seu.edu.cn。

項(xiàng)目來源:國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA040502)

2015-01-06 修改日期:2015-02-10

C:7320R

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.03.005

TP212.1

A

1004-1699(2015)03-0325-05